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自动清扫机器人设计 【含6张CAD图】
【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】图纸预览详情如下：
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充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸-I-自动清扫机器人设计 摘 要清扫机器人是一种服务机器人，目前已得到使用，我国的很多高校和机构也对其进行了研究设计。清扫机器人的市场必将会受到青睐。本文设计的自动清扫机器人的主要部件有步进电机、蜗轮蜗杆传动机构、清扫电机、驱动轮和万向轮。步进电机驱动蜗杆，蜗杆两端连接蜗轮，两个蜗轮分别连接皮带轮，皮带轮上的轴连接刷子，从而实现清扫。本文的主要内容包括：1）介绍了自动清扫机器人的研究现状，研究的目的意义，设计的重难点。 2）自动清扫机器人的总体方案设计和各部分方案的设计包括外形设计、行走机构设计、清扫机构设计、垃圾收集处理机构设计。介绍了自动清扫机器人的关键技术。3）自动清扫机器人的结构设计包括选择直流电机、蜗轮蜗杆、清扫机构的电机、电池、清扫轴等，对涡轮轴蜗杆上的轴承进行校核。4）自动清扫机器人控制部分介绍包括软件设计和硬件设计。 通过参考相关的设计手册，本文设计的自动清洁机器人可以满足设计要求。 关键词：清扫机器人；步进电机；蜗轮蜗杆机构；清洁方式充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸-II-ABSTRACTCleaning robot is a kind of service robot which has been used at present. Many universities and institutions in our country have also studied and designed it. The market for cleaning robots will certainly be popular.The main parts of the automatic cleaning robot designed in this paper include stepping motor, worm gear transmission mechanism, cleaning motor, driving wheel and universal wheel. The step motor drives the worm, and the worm wheel is connected at both ends. The two worm wheels are connected to the pulley, and the shaft on the pulley is connected with the brush to realize the cleaning.The main contents of this paper include:1) introduced the research status of automatic cleaning robot, the purpose of the research, and the key points of design.2) the overall scheme design of the robot cleaning robot and the design of each part of the plan include the design of the shape, the design of the walking mechanism, the design of the cleaning mechanism, and the design of the garbage collection and processing mechanism. The key technology of automatic cleaning robot is introduced.3) the structure design of the automatic cleaning robot includes the selection of dc motor, worm and worm gear, the motor of the cleaning mechanism, the battery, the cleaning shaft, etc., to check the bearing on the turboshaft worm shaft.4) the robot control part introduction includes software design and hardware design.By referring to the relevant design manual, the automatic cleaning robot designed in this paper can meet the design requirements.Key words: cleaning robot; Stepping motor; Worm and gear mechanism; Cleaning way.充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸-III-目 录摘 要 .IABSTRACT.1 绪 论 .11.1 课题设计背景和题目要求 .11.2 自动清扫机器人的研究现状 .21.3 研究的目的和意义 .81.4 设计的重点和难点 .82 自动清扫机器人的方案设计 .92.1 自动清扫机器人的总体方案 .92.2 自动清扫机器人的关键技术 .112.3 自动清扫机器人各部分方案设计.123 自动清扫机器人的结构设计 .173.1 直流电机选择 .173.2 蜗轮蜗杆的选择 .173.3 清扫机构电机的选择.193.4 自动清扫机器人电池的选用.193.5 清扫机构中蜗杆上轴承强度校核.203.6 清扫机构中涡轮轴的校核.223.7 带传动设计.233.8 清扫轴的基本参数计算.254 自动清扫机器人控制部分介绍.274.2 自动清扫机器人的硬件设计.274.2 自动清扫机器人的软件设计.275 结 论 .29参 考 文 献 .30附录 1：外文译文 .31附录 2：外文原文 .38致 谢 .42充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 1 -1.绪 论1.1 课题设计背景和题目要求近年来，随着人工智能科学和计算机技术人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术已成为当代机器人研究领域的热门话题。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现有三个主要原因：一是劳动力成本逐渐上升;其次，人们希望摆脱繁琐的体力劳动，如清洁，家务，照顾患者和儿童等等;第三，人口老龄化和社会福利制度的改善也为一些服务机器人提供了广阔的市场应用前景。服务机器人将其与工业机器人区分开来的主要特征是服务机器人是适应特定方法，任务和环境的机器人系统。活动空间非常大，它可以在非结构化的环境中自由移动，因此服务机器人是一个移动机器人。从自动洁净室地板真空家庭服务机器人，机械设计技术，电子技术，传感器技术，计算机科学，控制技术，机器人学，人工智能等学科形成一个整体。作为智能移动机器人开发的先驱，这项研究始于 20 世纪 80 年代，并已制作出许多概念原型和产品。清洁机器人的发展促进了家庭服务机器人产业的发展。它促进了移动机器人技术，图像和声音识别，传感器，设计，电子和其他相关技术的发展。自动清洁机器人正是在这种情况下提出了详细的设计要求如下：工作内容和设计自动清洁机器人的要求：运行机制:轮式最高行驶速度:0.5 米/秒旋转半径:0高度: 100 mm宽度: 400 mm清洁方法:吸尘和刷毛连续工作时间:0.5 小时警告:LED 闪光灯具有自动路径规划和避障具有自动充电装置。充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 2 -1.2 自动清扫机器人的研究现状作为智能移动机器人开发的先驱，早在 20 世纪 80 年代就开始研究地面清洁机器人。清洁机器人的发展带动了家用服务机器人产业的发展，并推动了移动机器人技术，图像与语音识别，传感器，电子等相关技术的发展。下面结合国内外文献介绍自动清洁机器人的发展现状。1.2.1 国外产品研究状况机器人在当今社会很普遍，工业机器人在许多领域被广泛应用，但对于家庭类机器人我们知道不少，但日本、欧洲、美国以及一些国家的主要研究比较成熟，一些发达国家已经广泛采用了自动机器人进行清扫工作，一些已经在市场上，在实践中使用。RC3000 是世界上第一个可以完成室内地面清洁的机器人。遇到障碍时，您可以随意更改路线并继续直行，直至遇到新的障碍。确保清洁地面上的污渍，调整清洁程序，通过传感器确定地板上的污渍，选择合适的应用程序，内置光线感应器，确保在碰到楼梯时可以避免掉落。平面设计可以在家具的较低位置自由行走，例如床，沙发，咖啡桌和充电站的红外线发射。工作时间设置，工作模式选择，收费和垃圾处理五大功能。充电站始终发出红外定位和导航信号，指示机器人完成垃圾处理，充电等任务。图 1-1 智能机器人 RC3000日本东日本铁路株式会社，新光电气株式会社和豪华实业株式会社共同开发了车站地面清扫机器人。机器人可以沿着墙壁自动启动，并使用旋转刷子清除垃圾。机器人可以通过“磁力模式”，“教学模式”或“墙壁复制模式”从主控制器进行控制。东日本铁路公司，富士工业株式会社，斯巴鲁实验室和 JR东海设备管理株式会社开发了车站清洗机器人。机器人的任务是将清洁液喷洒到地面上，用旋转的刷子擦拭地板，并使用容器吸入脏水。使用光纤陀螺仪和超声波传感器的机器人传感系统有两种类型的自动清洁系统。清洁区域可以分充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 3 -为单位区域，内存可以根据单位区域确定。另一个称为“路径图模式”。机器人的路径被构建到地图中。IC 卡也可以用作 CRT。由东日本铁路公司和东芝公司共同开发的内部地面清洁机器人具有简单的座椅布局，体积小，重量轻。在汽车和车厢之间轻松移动，超声波距离传感器传感系统和光学非接触式接近传感器。机器人使用定位的外推方法，使用编码器中的数据来保持其位置和路径。如果检测到错误的位置，机器人会用距离传感器自动纠正。列车的顶层包括清洁垃圾，擦洗，回收废水，喷洒清洁液，用干净水冲洗以及分六步给地板打蜡的步骤。日本的静态装甲水厂开发了一种可用于清洁各种工厂的自动清洁机器人。使用编码器和超声波传感器来感测范围，光检测器检测到障碍物，机器人装备有橡胶垫，橡胶垫接触传感器允许机器人发送停止信号以确保人身安全。松下和日立也开发了干净的砖地和地毯清洁机器人。2002 年上半年，松下推出了用于清洁机器人的测试机。机器人可以根据房间的形状，地板的状况以及垃圾的数量自动清洁房间。机器人配备了 50 个传感器，可以进行清洁，自动躲避避免障碍物和在清洁后自动停止。机器人可以在普通的日本房间内清洁约 9 分钟，这相当于清洁同一个大房间所需时间的 1-1.5 倍。可以清洁房间地板的 92-93%。机器人使用光和超声波测距传感器和压力传感器来避开障碍物。但是当走在地毯上时，如果不采取措施会影响“地毯模式”并向前弯曲，“地毯模式”影响偏差的方向，因此，传感器，加热器和其他热源热传感器直接安装在机器人身体上，以防止滚下楼梯的高度上的间隙。并测试外力大小传感器和滑动重量传感器，检测加入的动态负载传感器，机器人的常见障碍物保持至少 10 厘米的距离，检测热源时，应使热源距离至少 50厘米。在 20 世纪 90 年代，美国引进了装备有激光导航系统的地面清洁机器人ROBOSCORB。超声波距离测量和避障，以及使用光学定位代码栏，2002 年 9 月，RooMBA 出生在美国，约 2 公斤干净的机器人，重约 30 英寸，自动化程度高。它可以穿梭在房间的家具之间，并能熟练地完成清洁。它被用作军事“地雷运动技术”的吸尘器。“RoOMBA 有点慢，但它能安全地完成工作。完成任务后，可以自动切断电源，这样你就可以不用在家里打扫房间了。见图 1 - 2。充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 4 -图 1-2 智能清洁机器人 Roomba2002 年 10 月 1 日，清洁机器人“Terry Lobai”由瑞典 LAK 电子公司和日本东芝公司开发和销售。“Triloba”主要由清洁机器和超声波传感器组成，可避免房间内的各种家具。一旦家庭主妇按下启动按钮，它就会自动跟随线路。机器人可以充电，连续工作 1 小时。瑞典家电制造商 Eitoto Iux 开发了一款 13 毫米高，直径 35 毫米的清洁机器人。内置的搜索雷达可以快速检测并避免桌腿，玻璃器皿，宠物或任何其他障碍物。一旦微处理器识别出障碍物，它可以重新选择路线，重新评估和计算整个房间，以确保房间的所有角落都被清洁。楼梯上没有自然障碍。只要有磁铁，小三叶虫就不会穿越。在小“三叶虫”开始后，身体内的搜索雷达将检测到最近的墙壁。首先，跟着墙壁吸收地板上的灰尘和异物。通过这种方式，它可以检测整个房间的图案并计算清洁整个房间所需的时间。一旦有障碍，它将重置路线，而不是错过每个角落。线或地毯的边缘不被视为障碍物。小型的“三叶虫”图 1-3 三叶虫装置包括一个滑轮，它可以交叉或不被卡在地毯的边缘上。当电力供应不足时，小“三叶虫”会自动返回充电站进行充电。如果房间没有清理干净，小三叶虫也会有记忆功能。充电后，它们会回到原来的位置并继续工作，如图 1-3 所示。英国，法国和澳大利亚也推出了清洁机器人。戴森最近推出了一款采用 DC06 型号的智能吸尘器。这是世界上第一台全自动“真空机器人”。机器人具有一些人工智能，因此您可以通过轻轻按下开关充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 5 -来节省每天清洁房间的麻烦。如图 1-4 所示，带有 50 厘米形状的真空机器人的模型车重 9.2 公斤。配备 70 多个传感器，随时可以通过 3 台内置计算机的“大脑”找到它。大脑可以每秒发出 16 条指令来指导真空吸尘器的工作。“一个开关的充电，机器人将在三分钟内使用三台微型计算机和传感器来计算它们的位置，房间大小以及风琴和家具的配置。如果外部物体（如儿童或狗）接近真空吸尘器，它会自动停止工作。接近着陆时，真空吸尘器会自动采取防护措施，防止楼梯滚落。使用时，只要打开电源，选择速度并按“GO”键按钮，吸尘器将自动工作，其他程序将自动完成。但是，目前的产品价格太高（约 4000 美元），所以很难进入市场，如图 1-4 所示。图 1-4 智能机器人 DC06澳大利亚公司 Floor Botics 最近开发了一款 V4 机器人，可以自动驱动和清洁房间，如图 1-5 所示。自动真空吸尘器具有平滑，紧凑，圆形的内置搜索雷达，可以搜索各种房间中的每个房间，而不会触摸家具或其他障碍物。微处理器使它能够检测方向并在拐角处选择路线。一旦放置在地上，吸尘器可以自动开始工作。它的搜索雷达将探测到最近的墙，然后灰尘和异物将被吸收到墙上。然后绕过房间的其他部分，在接近障碍物前快速移动。吸尘机器人在主机周围有一个 360 度障碍传感器，可以在清洁地板时检测墙壁和障碍物。机器人完成后，电源自动关闭。充电 4 小时后，你可以工作一个多小时。你可以通过更换附件来清洁地毯。如果你没有障碍物清扫地板，你可以在一小时内清理360 平方米。无论房间的形状和大小如何，ARNA 导航算法都能指导机器人在任何房间中移动，而不会覆盖该区域进行清洁。由于机器人在房间内导航，它会创建自己的空间参考地图，机器人不需要任何编程就可以教它去哪里。机器人操作简单，只有三个按钮：启动、结束和暂停。只要人们把它放在干净的地方或房间里（清洁的机器人非常轻便，一只手可以轻松地拿起它），按下开始按钮，如图 1-5 所示。充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 6 -图 1-5 V4 智能吸尘机器人2003 年 11 月，该公司推出了名为 VC-RP30W 的机器人吸尘器，如图 1-6 所示。VC-RP30W 主要依靠 3D 地图技术定位，巧妙避开障碍物。它可以快速有效地清洁房间的每个角落。如果发生障碍或僵持，VC-RP30W 将自动切换到工作状态。其强大的智能判断系统使 VC-RP30 W 能够轻松识别垃圾邮件和其他日常必需品。当主人不在家的时候，这个机器人可以自动清洁。实际上，除了自己设置用户之外，用户还可以通过查看安装在机器人上的相机的前部来远程控制计算机。整个人类细胞可以继续工作 50 分钟。它使用生成的三维地图，不像RC3000 红外导航信号。图 1-6 三星机器人 VC- RP30W1.2.2 国内产品研究状况中国的一些大学，如哈尔滨工业大学，华南理工大学和上海交通大学等也对清洁机器人进行了广泛的研究。并取得了一些成果，如机器感知清洁机器人，机器人导航定位与路径规划，机器人控制，电力与电力管理，电力等。更重要的是，力传递技术的研究为清洁机器人的发展和普及奠定了基础。哈尔滨工业大学在 20 世纪 90 年代进行了这项研究，并与香港中文大学合作开发和开发了一种全能移动式清洁机器人。该机器人具有以下特点：借助全面的移动技术，机器人可以在狭窄区域完成清洁任务，如死区，硬件可以扩展，软件可以移植和继承，从而允许机器人作为服务运营商和服务。在拥挤的环境充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸- 7 -中，实时避障功能可以更好地适应不断变化的清洁工作环境。远程操作和自主运行的操作模式可以实现真空室的自动转换，提高除尘效率。1999 年初，浙江大学在浙江大学机电研究所对智能真空机器人进行了研究。两年后，第一个自主尘埃吸收机器人智能初步在中国成功的设计。当这个智能真空机器人工作时，它首先执行环境学习并使用超声波传感器进行距离测量。在获取房间的大小信息以确定清洁时间的同时，与墙壁保持一定的距离。然后，结合随机和本地遍历规划的策略被用来实现高效率。扫道后，清洗后，自动返回充电座，以补充电源。在真正的 5.53.5M2 的家庭环境中，集尘机器人可以在 10 分钟内达到 90的覆盖率。大房间的扫视测试还没有进行。目前，该系统引入了机器视觉和全球定位，以提高多房间环境的自我定位能力，智能决策能力和回报充电效率，最终提高清洁效率。见图 1 - 7。KV8 清洁剂是今年相对较低的销售产品。它也是中国第一个产品清洁机器人。它广泛用于家庭，办公室，娱乐场所以及其他不允许进入的场所。KV8 可以通过自己的碰撞传感器实现随机清洁和碰撞处理。它需要一个手动充电电池。有三种工作模式可供选择，音乐也可以在启动时听到。图 1-7 国内公司生产的机器人 KV81.2.3 自主充电技术发展现状在 20 世纪 40 年代末，格雷特沃尔特开发了第一种机器人移动机器人，称为“海龟”，它是一种在神经研究中朝着光线移动的机器人。沃尔特还发明了一个可充电的柜子。设备和充电器可以用来在一个柜子里照明，它被用作充电站。在一束光的引导下，机器人来到了橱柜的前部，并用它来充电。该系统具有以下特点:(1) 机器人感知行为:光感受器;(2) 充电站可以传输机器人感知的光束。(3)电池和充电器可以准确连接。附录 1 外文译文一种控制路径规划方法的出租车前清扫机器人Joa Mouraa,b, Mustafa Suphi Erdena,b摘要：本文提出了一种出租车前清扫机器人的控制和路径规划方法。目前，在具有挑战性的条件下，对列车驾驶室前端的清洗操作是人工进行的。这项工作的目的是制定一个控制和路径规划的解决方案，用于机器人操作机器人的清洁活动。所提出的解决方案包括机器人机械手与未知表面之间的相互作用的研究，并包括在使用空间的同时进行力和位置控制的实现。末端执行器的轨迹是通过将栅格扫描投射到表面上进行实时清理，从而使路径适应于局部表面几何的细微差别。本文还提供了标准列表。关键词:清洗机器人;同时力和位置控制;操作空间。1. 介绍与受约束的环境相互作用，比如僵硬的表面，只使用触觉是人类在日常工作中使用的一种技能，例如，在清洁表面的时候。这被认为是一种受约束的操作，因为当我们与任何刚性物体相互作用时，我们的手无法自由移动，仅仅是超越了表面的物理边界。因此，手的运动是在与物体表面保持接触的同时，与物体表面保持接触，使其与物体表面保持接触。我们可以很容易地处理这种与各种刚性物体的相互作用，而不破坏它们或伤害我们的手臂，通过适当地调整它的位置和刚度。即使不使用我们的视觉感知闭上眼睛我们仍然可以用触觉信息追踪一个未知的表面。一个具有类似功能的机器人系统将能够自动执行大量的操作，而这些操作只是手动执行的。其中一个这样的操作就是火车车厢前端的清洗过程。目前的过程包括机械的火车垫圈，由于复杂的形状无法清洗列车的前端。因此，这些表面保持人工清洁，这可能会导致一些健康和安全问题，包括在 不健康的姿势下工作，并受到恶劣天气 的影响。更多的工人被暴露在一个高 度潮湿的环境中。在25kV 的架空线路 和 750V 轨道上，虽然列车不是手动在 列车上的橙色线上上清洗，作为安全 程序。图 1 显示了手动清洗的火车的 例子。上述工作条件支持了机器人和自治系统(RAS)在这一特定任务上的应用研究。本文提出了一种自动清洁机械手的控制和路径规划方法。尽管这是人类很容易完成的任务，但很少有工作能解决使用机器人来清理三维(3D)表面的挑战。Hess 等3指出，当时他们找不到任何可以清洁任意 3D 表面的机械手机器人。Hess 等3提出了一种利用冗余机械手来覆盖三维表面的算法，利用了从点云获得的显式表面模型。使用 Kinect 的传感器。然而，考虑到 Kinect 传感器在室外环境下的红外辐射下表现不佳，该传感器不适合用于列车清洗。此外，保证末端执行器与列车表面之间的恒定压力需要精确的测量，而将更精确的传感器结合在一起来测量系统的全球位置可能会导致更加复杂和昂贵的系统。尽管如此，一个有技巧的人很容易就能完成这项任务(即使是闭上眼睛)，而不是通过保证手的预先 cise 位置，而是通过使用触觉信息来调整在正确方向上应用的力。清洁机械手必须能够在不损坏火车表面的情况下进行清扫，同时施加足够的压力以保证清洗工具与列车表面之间的接触。因此，研究和应用力控制技术的重要性。在工程4-6中，一个移动的 manip- ulator 在飞机罩顶抛光的操作中成功使用了同时使用的力和位置控制和 Khatib 提出的操作空间配方7,8。飞机抛光机械手不使用任何表面抛光的显式模型， 但是末端执行器只是沿着表面的一条线移动。对于清洗列车车厢前端的过程，我们提出了一个类似的控制方法，用于抛光机械手，但它包含了工作空间区域和位置的全局信息，以保证所有的表面都被覆盖。 值的偏差测量力等清洁力,设置点,轨迹误差,覆盖面积的潜在 xqset标准来验证该方法在未来的结果。2.操作空间力和运动控制一般采用刚性连接的机器人机械手的动力学模型为8q 是 n 个关节坐标的矢量，q 和 q 是 q 的第一个和第二次导数，对应于关节速度和加速度。矩阵 Mq(q)是惯性矩阵和矩阵 Cq(q q)是由于科里奥利和离心运动的影响。gq(q)这一术语是由于重力作用于机械手连杆上的，而是作用于关节上 n 个广义力的矢量(在旋转关节的情况的扭矩)等效动态模型：其中向量 x 是机械手的末端执行器加速度，而矢量 fx 是机械手移动所产生的力。向量 x和外汇有 6 个组件。前 3 个分别对应于 3 个线性加速度和力，最后 3 个分别对应于角加速度和力矩。矩阵 Mx、Cx 和向量 gx 类似于公式 1 中所使用的矩阵，并且可以用配置空间动态模型中的矩阵来表示，如下所示： 矩阵 J 是机械手的雅可比矩阵。广义联合部队 生产总力应用于末端执行器的英国金融时报可以计算使用雅可比矩阵的转置矩阵Khatib8提出了一种在操作空间中同时运动和力控制机器人机械手的方法，其中末端执行器加速度 x em2 贡献。向量 x、x 和 f 分别是由期望的运动和力响应引起的加速度。Ma- trices 和分别定义了运动方向和力控制。因此，对于每个末端执行器方向，只有 ei-其他位置或力可以被控制，而不是同时控制。在一个受约束的任务中，末端执行器应用所需的。在表面上的力 fd，施加的总力是：计算机械手关节扭矩的同时力和位置控制。图 2 所示的图说明了操作空间力和运动控制。机械手块对应于真实物理机器人机械手,我们可以直接控制关节力矩 和测量关节位置 q 和速度,最后的力和扭矩应用 f -效应。末端执行器的位置是获得使用 for -沃德运动学模型- x = G(q)和末端执行器 veloc 计算,使用机械手的雅可比矩阵。末端执行器的位置 x 和力 f 被控制为 2 个 PID(比例积分微分)控制器，以达到各自的期望值 xd 和 fd。PID 控制器的控制信号产生决定了关节力矩 计算使用逆动力学 7 表达。矩阵选择位置控制方向。3.方法3.1 局部路径规划局部路径规划是指控制方法允许一个人同时控制交互力，即机械手末端执行器和环境和末端执行器位置图 3 给出了末端执行器的主要部件和各自的坐标系统的二维视图。由正交单位向量的集合(0 x,0 y,0 z - for short，坐标系 0)定义的 Carte- sian 坐标系，是 ref-erence 坐标系。当没有明确表述的时候，如前一节和图 2 中，末端执行器的位置，速度，加速度，和力都是相对于参考系表示的，即。但是，在这一节中，所有的向量都表示它的坐标系统，以便更清楚地处理必要的向量变换。坐标系统 N 将被视为标准末端执行器坐标系。因此,远期 kinemat - ics 将返回一个向量 x = 0 x 的 3 第一坐标原点的坐标系 N 相对于坐标系 0,和过去的三坐标的欧拉角描述坐标系 N 方向相对于协调系统 0。同样，微分正运动学所返回的末端执行器速度由坐标系 N 原点的线速度和角速度组成。图 2 中所示的期望数量也指的是坐标系 N 的原点。然而，原力是相对于坐标系 f 来测量的，因此力传感器提供的广义力矢量必须变换如下：将一个向量在一个斜对称的 ma- trix 中变换为一个向量的操作。即使广义的力是相对的。在坐标系 F 中，考虑坐标系 S 可以更好地理解我们想要在清洁操作中扫面时的力。图 4 所示的力图说明了末端执行器运动产生的力。在末端执行器与表面接触的运动中，预期的力和力矩是:我们希望控制的法力 Fd，在路径上大致保持不变;摩擦力 Fa，它不是去控制的，取决于正常的力，末端执行器的速度，以及接触表面的特性;扭矩是由于表面的变化引起的。如果末端执行器是用每个 fect 的接触来扫描平面表面，那么力矩将为零。当末端执行器扫过一个非平面的表面时，末端执行器尖端与表面之间的接触会产生非零力矩。因此，有一种方法可以保证末端执行器在任何时候都保持最正常的表面，这是为了使我绕轴的时刻的绝对值最小化。控制它为 0。因为最小化轴上的转矩(My)与使 Fy 轴(My + ls Fa)周围的转矩最小化是不一样的，我们定义了相对于框架 S 的所需的力矢量。S fd = 0 0 fd 0 0T， 然后把它转换成参考坐标系。并给出了选择矩阵。矩阵 F 和 M 可以看作是选择矩阵在末端执行器框架。对于清洗操作，可以定义为。F = diag(1, 1, 0)M = diag(0, 0, 1)。这些选择矩阵对应于末端执行器 z 方向上的力(垂直于表面)和末端执行器 x 和 y 的扭矩(确保工具和表面之间的正常的正常接触)。3.2全局路径规划考虑到有效地对所有表面进行 cov- ers 的轨迹的执行，规划方法必须考虑到表面是未知的。因此，轨迹不应该包括一组刚性的位置，而是应该包含一个更灵活的计划，可以根据表面的局部几何形状进行调整，以使工具施加一个大致恒定的压力。为了达到这样的灵活性，由于表面几何未知，末端执行器的运动(位置、速度和加速度)不能在各个方向上进行规划。一种假设是使用平面轨迹，如图 5 所示，并使另一个方向没有位置控制，这样末端执行器可以垂直移动到这个平面，以适应表面几何。这个假设对应项目扫描局限于表面,一部分末端执行器的运动计划框架和实时接受联合国表面几何图形和调整手臂配置,而运动边界和全球运动方向提供的全球计划(运动参考系中指定的方向)。在表面高度和宽度等方面的先验知识对保证末端执行器覆盖所有表面进行清洁是很有用的。3.3运动过渡无约束运动的动力学与约束运动的动力学是不同的，为了避免不稳定的过渡，应仔细研究这些不同的动态模式之间的切换。工具和表面之间的第一个影响本身就是一个复杂的研究问题，通常被称为开关动力学。然而，一个幼稚的 ap- proach 可以被测试。这种方法将包括初始化末端执行器在这样的位置和方向相对于表面，当接近表面时，它执行一个稳定的接触。与末端执行器相连的光滑材料的加入也可以获得更平滑的影响。通过末端执行力传感器测量，检测到无约束和受约束的 mo- tions 之间的过渡，将控制策略从一个简单的位置控制器切换到同时的力和位置控制器。3.4验证标准自动清洗操作的验证con- trol 和路径规划算法将会自动清除一个非平面的未知表面，并对遵循的标准进行评估:末端执行器在表面施加的力力的平均值应该等于期望的接触力，在所有扫描路径中它应该保持大致不变。因此，对实测力斯坦- dard 偏差的评价表明了与表面的相互作用有多光滑;平均投影轨迹误差考虑到表面的锗测量方法是未知的，我们无法测量轨迹误差。然而，我们可以将实际轨迹的投影与参考二维的 trajec- tory 进行比较，并计算出一个全面试验的平均误差;表面覆盖面积-该标准包括用油墨标记表面区域并执行自动清洗过程。通过分析清洗过程前后的图像，可以验证该区域覆盖了多少区域;表面清洁度-通过检查清洗后表面的清洁程度来进行评估。所描述的标准不仅用于验证该工作控制和路径规划方法，而且对控制参数和选择参数(如清洗速度和清洗速度)和清洁力(法向力设定值)都很有用。4.确认这项研究是由铁路安全局和斯坦-达尔德人的董事会(RSSB)支持的工程和物理科学研究委员会(EPSRC)支持的,作为机器人和 CDT 的自治系统的领主瓦大学和爱丁堡大学的资助 EP / F500385/1 EP / H1012338/1 EP / M025594/1 EP / M025977/1 EP / L016834/1,BB / F529254/1。附录 2 外文原文自动清扫机器人设计-I-自动清扫机器人设计 摘 要清扫机器人是一种服务机器人，目前已得到使用，我国的很多高校和机构也对其进行了研究设计。清扫机器人的市场必将会受到青睐。本文设计的自动清扫机器人的主要部件有步进电机、蜗轮蜗杆传动机构、清扫电机、驱动轮和万向轮。步进电机驱动蜗杆，蜗杆两端连接蜗轮，两个蜗轮分别连接皮带轮，皮带轮上的轴连接刷子，从而实现清扫。本文的主要内容包括：1）介绍了自动清扫机器人的研究现状，研究的目的意义，设计的重难点。 2）自动清扫机器人的总体方案设计和各部分方案的设计包括外形设计、行走机构设计、清扫机构设计、垃圾收集处理机构设计。介绍了自动清扫机器人的关键技术。3）自动清扫机器人的结构设计包括选择直流电机、蜗轮蜗杆、清扫机构的电机、电池、清扫轴等，对涡轮轴蜗杆上的轴承进行校核。4）自动清扫机器人控制部分介绍包括软件设计和硬件设计。 通过参考相关的设计手册，本文设计的自动清洁机器人可以满足设计要求。 关键词：清扫机器人；步进电机；蜗轮蜗杆机构；清洁方式自动清扫机器人设计-II-ABSTRACTCleaning robot is a kind of service robot which has been used at present. Many universities and institutions in our country have also studied and designed it. The market for cleaning robots will certainly be popular.The main parts of the automatic cleaning robot designed in this paper include stepping motor, worm gear transmission mechanism, cleaning motor, driving wheel and universal wheel. The step motor drives the worm, and the worm wheel is connected at both ends. The two worm wheels are connected to the pulley, and the shaft on the pulley is connected with the brush to realize the cleaning.The main contents of this paper include:1) introduced the research status of automatic cleaning robot, the purpose of the research, and the key points of design.2) the overall scheme design of the robot cleaning robot and the design of each part of the plan include the design of the shape, the design of the walking mechanism, the design of the cleaning mechanism, and the design of the garbage collection and processing mechanism. The key technology of automatic cleaning robot is introduced.自动清扫机器人设计-III-3) the structure design of the automatic cleaning robot includes the selection of dc motor, worm and worm gear, the motor of the cleaning mechanism, the battery, the cleaning shaft, etc., to check the bearing on the turboshaft worm shaft.4) the robot control part introduction includes software design and hardware design.By referring to the relevant design manual, the automatic cleaning robot designed in this paper can meet the design requirements.Key words: cleaning robot; Stepping motor; Worm and gear mechanism; Cleaning way.目 录摘 要 .IABSTRACT.1 绪 论 .11.1 课题设计背景和题目要求 .11.2 自动清扫机器人的研究现状 .21.3 研究的目的和意义 .81.4 设计的重点和难点 .82 自动清扫机器人的方案设计 .9自动清扫机器人设计-IV-2.1 自动清扫机器人的总体方案 .92.2 自动清扫机器人的关键技术 .112.3 自动清扫机器人各部分方案设计.123 自动清扫机器人的结构设计 .173.1 直流电机选择 .173.2 蜗轮蜗杆的选择 .173.3 清扫机构电机的选择.193.4 自动清扫机器人电池的选用.193.5 清扫机构中蜗杆上轴承强度校核.203.6 清扫机构中涡轮轴的校核.223.7 带传动设计.233.8 清扫轴的基本参数计算.254 自动清扫机器人控制部分介绍.274.2 自动清扫机器人的硬件设计.274.2 自动清扫机器人的软件设计.275 结 论 .29参 考 文 献 .30附录 1：外文译文 .31附录 2：外文原文 .38致 谢 .42自动清扫机器人设计- 1 -1.绪 论1.1 课题设计背景和题目要求近年来，随着人工智能科学和计算机技术人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术已成为当代机器人研究领域的热门话题。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现有三个主要原因：一是劳动力成本逐渐上升;其次，人们希望摆脱繁琐的体力劳动，如清洁，家务，照顾患者和儿童等等;第三，人口老龄化和社会福利制度的改善也为一些服务机器人提供了广阔的市场应用前景。服务机器人将其与工业机器人区分开来的主要特征是服务机器人是适应特定方法，任务和环境的机器人系统。活动空间非常大，它可以在非结构化的环境中自由移动，因此服务机器人是一个移动机器人。从自动洁净室地板真空家庭服务机器人，机械设计技术，电子技术，传感器技术，计算机科学，控制技术，机器人学，人工智能等学科形成一个整体。作为智能移动机器人开发的先驱，这项研究始于 20 世纪 80 年代，并已制作出许多概念原型和产品。清洁机器人的发展促进了家庭服务机器人产业的发展。它促进了移动机器人技术，图像和声音识别，传感器，设计，电子和其他相关技术的发展。自动清洁机器人正是在这种情况下提出了详细的设计要求如下：工作内容和设计自动清洁机器人的要求：运行机制:轮式最高行驶速度:0.5 米/秒旋转半径:0高度: 100 mm宽度: 400 mm清洁方法:吸尘和刷毛连续工作时间:0.5 小时警告:LED 闪光灯具有自动路径规划和避障自动清扫机器人设计- 2 -具有自动充电装置。1.2 自动清扫机器人的研究现状作为智能移动机器人开发的先驱，早在 20 世纪 80 年代就开始研究地面清洁机器人。清洁机器人的发展带动了家用服务机器人产业的发展，并推动了移动机器人技术，图像与语音识别，传感器，电子等相关技术的发展。下面结合国内外文献介绍自动清洁机器人的发展现状。1.2.1 国外产品研究状况机器人在当今社会很普遍，工业机器人在许多领域被广泛应用，但对于家庭类机器人我们知道不少，但日本、欧洲、美国以及一些国家的主要研究比较成熟，一些发达国家已经广泛采用了自动机器人进行清扫工作，一些已经在市场上，在实践中使用。RC3000 是世界上第一个可以完成室内地面清洁的机器人。遇到障碍时，您可以随意更改路线并继续直行，直至遇到新的障碍。确保清洁地面上的污渍，调整清洁程序，通过传感器确定地板上的污渍，选择合适的应用程序，内置光线感应器，确保在碰到楼梯时可以避免掉落。平面设计可以在家具的较低位置自由行走，例如床，沙发，咖啡桌和充电站的红外线发射。工作时间设置，工作模式选择，收费和垃圾处理五大功能。充电站始终发出红外定位和导航信号，指示机器人完成垃圾处理，充电等任务。图 1-1 智能机器人 RC3000日本东日本铁路株式会社，新光电气株式会社和豪华实业株式会社共同开发了车站地面清扫机器人。机器人可以沿着墙壁自动启动，并使用旋转刷子清除垃圾。机器人可以通过“磁力模式”，“教学模式”或“墙壁复制模式”从主控制器进行控制。东日本铁路公司，富士工业株式会社，斯巴鲁实验室和 JR东海设备管理株式会社开发了车站清洗机器人。机器人的任务是将清洁液喷洒自动清扫机器人设计- 3 -到地面上，用旋转的刷子擦拭地板，并使用容器吸入脏水。使用光纤陀螺仪和超声波传感器的机器人传感系统有两种类型的自动清洁系统。清洁区域可以分为单位区域，内存可以根据单位区域确定。另一个称为“路径图模式”。机器人的路径被构建到地图中。IC 卡也可以用作 CRT。由东日本铁路公司和东芝公司共同开发的内部地面清洁机器人具有简单的座椅布局，体积小，重量轻。在汽车和车厢之间轻松移动，超声波距离传感器传感系统和光学非接触式接近传感器。机器人使用定位的外推方法，使用编码器中的数据来保持其位置和路径。如果检测到错误的位置，机器人会用距离传感器自动纠正。列车的顶层包括清洁垃圾，擦洗，回收废水，喷洒清洁液，用干净水冲洗以及分六步给地板打蜡的步骤。日本的静态装甲水厂开发了一种可用于清洁各种工厂的自动清洁机器人。使用编码器和超声波传感器来感测范围，光检测器检测到障碍物，机器人装备有橡胶垫，橡胶垫接触传感器允许机器人发送停止信号以确保人身安全。松下和日立也开发了干净的砖地和地毯清洁机器人。2002 年上半年，松下推出了用于清洁机器人的测试机。机器人可以根据房间的形状，地板的状况以及垃圾的数量自动清洁房间。机器人配备了 50 个传感器，可以进行清洁，自动躲避避免障碍物和在清洁后自动停止。机器人可以在普通的日本房间内清洁约 9 分钟，这相当于清洁同一个大房间所需时间的 1-1.5 倍。可以清洁房间地板的 92-93%。机器人使用光和超声波测距传感器和压力传感器来避开障碍物。但是当走在地毯上时，如果不采取措施会影响“地毯模式”并向前弯曲，“地毯模式”影响偏差的方向，因此，传感器，加热器和其他热源热传感器直接安装在机器人身体上，以防止滚下楼梯的高度上的间隙。并测试外力大小传感器和滑动重量传感器，检测加入的动态负载传感器，机器人的常见障碍物保持至少 10 厘米的距离，检测热源时，应使热源距离至少 50厘米。在 20 世纪 90 年代，美国引进了装备有激光导航系统的地面清洁机器人ROBOSCORB。超声波距离测量和避障，以及使用光学定位代码栏，2002 年 9 月，RooMBA 出生在美国，约 2 公斤干净的机器人，重约 30 英寸，自动化程度高。它可以穿梭在房间的家具之间
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